近日，北京大学碳基电子研究中心与甬江实验室先进显示与传感研究中心联合提出一种多偶极子加权（MDW）仿真方法，用于提升氮化镓基Micro-LED光提取效率（LEE）的计算精度。相关方案针对传统单偶极子、多偶极子平均法在微显示器件仿真中的偏差问题，给出更贴近真实发光分布的评估路径。随着AR/XR设备向高亮度、低功耗、小像素方向演进，Micro-LED像素尺寸不断缩小，台面形貌和几何结构对出光的影响越来越明显。对于无机Micro-LED来说，能否准确评估光提取效率，直接关系到器件性能对标和结构优化是否可靠。研究团队指出，面向AR/XR微显示，仿真结果必须贴合器件真实发光行为，否则高亮度、低功耗微发光二极管的开发效率会受影响。在既有光提取仿真中，常见做法有两种：一是单偶极子（SD）近似，在多量子阱（MQW）中心放一个偶极子作为光源；二是多偶极子平均法（MDA），在量子阱内均匀布设若干偶极子后取算术平均。但Micro-LED多量子阱内部的发光并非均匀、相干，而是非相干的空间分布式发光，偶极子所处位置会直接改变辐射场。单偶极子忽略空间分布，多偶极子平均法又缺少物理依据，二者都可能给出错误优化结论，误导器件结构设计。针对这一痛点，团队搭建了电光联合仿真框架，并提出多偶极子加权方法（MDW），包括位置均匀多偶极加权法（PU-MDW）和权重优先多偶极加权法（WD-MDW）两个版本。其核心思路是：先通过TCAD电学仿真获得MQW内部辐射复合速率的空间分布，再把每个位置的辐射复合占比作为对应偶极子的权重，对各个偶极子独立计算出的光提取效率进行加权求和，从而得到器件整体光提取效率。图1：示例Micro‑LED器件仿真模型与不同位置偶极子的电场分布：(a) 仿真器件结构示意图；(b)(c)(d) 偶极子分别放置在 x=0μm、x=0.75μm、x=1.5μm 位置时的电场强度分布，对应顶部光提取效率分别为 9.34%、53.3%、55.3%。验证环节，团队选用典型3×3μm²正装GaN Micro-LED。其外延结构从下到上包括500nm n-GaN层、29nm InGaN/GaN多量子阱、404nm Al0.2Ga0.8N电子阻挡层、200nm p-GaN层以及100nm银反射镜，光从n-GaN表面出射，p-GaN侧银反射镜用于增强出光。光学仿真采用ANSYS Lumerical FDTD Solutions，电学仿真采用Sentaurus TCAD，并使用Lumerical CHARGE、COMSOL Multiphysics交叉验证。图2：MQW内部不同位置偶极子对应的顶部光提取效率分布云图：仿真在多量子阱横向7个位置、纵向9个位置布设偶极子，共计63个采样点位，可见光提取效率随偶极子横向、纵向位置发生剧烈变化
仿真显示，MQW内部不同位置偶极子对应的顶部光提取效率差异很大。团队在横向7个位置、纵向9个位置共布设63个采样点，发现LEE可从约9%波动到接近60%。靠近侧壁的区域受侧壁缺陷和界面电荷影响，肖克利-里德-霍尔（SRH）非辐射复合占主导，辐射复合更多集中在像素中心；不同偏置电压下，辐射复合在量子阱垂直方向上的分布也会移动。在收敛行为上，以全部63个偶极子加权结果为参考，多偶极平均MDA在多种电流密度下都无法收敛到参考值，结果出现无规则波动；PU-MDW和WD-MDW则都能收敛。低电流密度下辐射复合分布相对均匀，PU-MDW约30个偶极子即可稳定；高电流密度下分布高度不均匀，WD-MDW优先选择高辐射权重位置，约20个偶极子就能收敛，有助于节约仿真算力。图3：电学仿真结果，复合速率、内量子效率、能带结构以及多量子阱内部辐射复合分布： (a) 不同电压下俄歇复合、辐射复合、SRH复合速率以及IQE变化；(b) 三款仿真软件输出的能带结构对比；(c) 2.94V偏压下整个MQW辐射复合分布；(d) 单个量子阱内部辐射复合分布
团队还用Sentaurus TCAD、Lumerical CHARGE、COMSOL Multiphysics三套电学求解器输出的辐射分布分别驱动WD-MDW光学仿真。结果显示，三套工具得到的光提取效率高度一致：偶极子数量大于21时相邻误差低于1%，超过42个后相邻误差低于0.1%，说明MDW方法具备跨平台通用性和鲁棒性。图4：不同电流密度下三种仿真方法的顶部LEE随偶极子数量变化，以及不同采样数量下MDW方法与基准的对比：(a) 0.1A/cm²；(b) 1A/cm²；(c) 10A/cm²；(d)不同偶极子数量下LEE随电流密度变化对比，黑色曲线为63个偶极子的收敛参考基准。
在结构优化验证中，团队将单偶极SD法、多偶极平均MDA法与PU-MDW（33偶极子）用于p-GaN厚度、n-GaN厚度扫描。银反射镜会造成向上出射光与反射光干涉，使顶部光提取效率随厚度呈周期性振荡。三种方法给出的最优厚度极值点并不重合，SD和MDA会输出错误的最优结构参数，表明传统方法可能误导器件迭代，MDW对Micro-LED结构优化具有必要性。图6：不同仿真方法下器件层厚优化结果对比：(a) p‑GaN厚度扫描优化；(b) n‑GaN厚度扫描优化
团队进一步针对1×1μm²、3×3μm²、30×30μm²三种像素尺寸进行验证。像素缩小到1×1μm²时，受光波长尺度效应影响，光提取效率对光源位置极其敏感，需要更多偶极子采样点才能收敛；像素增大后，空间振荡效应减弱。该框架在亚微米级到几十微米级的像素尺寸范围内均可适用。图7：不同像素尺寸Micro‑LED的LEE收敛特性、MQW内LEE分布与第一量子阱辐射复合分布：(a)(b)不同尺寸器件LEE与收敛相邻误差；(c‑e) 1μm、3μm、30μm器件MQW内部顶部LEE分布云图；(f‑h) 对应器件QW1辐射复合速率分布
总体来看，MDW方案中，PU-MDW适合辐射分布较均匀的工况，WD-MDW适合辐射分布高度非均匀的工况。与传统单偶极、多偶极算术平均方法相比，MDW兼顾物理真实性与计算效率，为AR/XR Micro-LED开展高精度光学仿真和器件结构迭代提供了更可靠的仿真手段。
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